DE112021002108T5

DE112021002108T5 - Quantenkaskadenlaserelement und Quantenkaskadenlaservorrichtung

Info

Publication number: DE112021002108T5
Application number: DE112021002108.7T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Sugiyama; Shinichi Furuta; Kazuue FUJITA
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2023-02-09
Also published as: JP7330128B2; US20230139139A1; WO2021200548A1; JP2021163923A

Abstract

Ein Quantenkaskadenlaserelement hat: ein Halbleitersubstrat; ein Halbleiterlaminat, welches an dem Halbleitersubstrat gebildet ist, um einen Gratabschnitt aufzuweisen, welcher konfiguriert ist, um eine aktive Schicht mit einer Quantenkaskadenstruktur aufzuweisen; eine Einbettungsschicht mit einem ersten Abschnitt, welcher an einer Seitenfläche des Gratabschnitts gebildet ist, und einem zweiten Abschnitt, welcher sich von einem Randabschnitt des ersten Abschnitts an einer Seite des Halbleitersubstrats entlang einer Breitenrichtung des Halbleitersubstrats erstreckt; und eine Metallschicht, welche zumindest an einer oberen Fläche des Gratabschnitts und an dem ersten Abschnitt gebildet ist. In einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats befindet sich eine Fläche des zweiten Abschnitts an einer zu dem Halbleitersubstrat entgegengesetzten Seite zwischen einer Fläche der aktiven Schicht an einer zu dem Halbleitersubstrat entgegengesetzten Seite und einer Fläche der aktiven Schicht an einer Seite des Halbleitersubstrats. Betrachtet in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats überlappt ein Teil der Metallschicht an dem ersten Abschnitt die aktive Schicht. Die Metallschicht ist unmittelbar an dem ersten Abschnitt gebildet.

Description

Technisches Gebiet
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Quantenkaskadenlaserelement und eine Quantenkaskadenlaservorrichtung.
Stand der Technik
Ein bekanntes Quantenkaskadenlaserelement hat ein Halbleitersubstrat; ein Halbleiterlaminat, welches an dem Halbleitersubstrat gebildet ist, um einen Gratabschnitt aufzuweisen; eine Stromblockerschicht, welche über dem Gratabschnitt und über dem Halbleitersubstrat gebildet ist; eine isolierende Schicht, welche an der Stromblockerschicht gebildet ist; und eine Metallschicht, welche an einer oberen Fläche des Gratabschnitts und an der isolierenden Schicht gebildet ist (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1).
Zitierungsliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP 2018-98262 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Um in dem vorstehend beschriebenen Quantenkaskadenlaserelement stabil Licht eines Basismodus mit einer Intensitätsspitze an einem in einer Breitenrichtung mittleren Abschnitt des Gratabschnitts auszugeben, ist es notwendig, die Schwingungen von Licht eines Modus hoher Ordnung mit einer Intensitätsspitze an beiden Seiten des mittleren Abschnitts zu unterdrücken. Zudem werden sowohl eine Verbesserung einer Wärmeabfuhr als auch eine Verbesserung einer Ertragsrate benötigt.
Eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Quantenkaskadenlaserelement und eine Quantenkaskadenlaservorrichtung bereitzustellen, welche in der Lage sind, eine Verbesserung einer Wärmeabfuhr, die Unterdrückung der Schwingungen eines Modus hoher Ordnung und eine Verbesserung einer Ertragsrate zu erreichen.
Lösung des Problems
Ein Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat: ein Halbleitersubstrat; ein Halbleiterlaminat, welches an dem Halbleitersubstrat gebildet ist, um einen Gratabschnitt aufzuweisen, welcher konfiguriert ist, um eine aktive Schicht mit einer Quantenkaskadenstruktur aufzuweisen; eine Einbettungsschicht mit einem ersten Abschnitt, welcher an einer Seitenfläche des Gratabschnitts gebildet ist, und einem zweiten Abschnitt, welcher sich von einem Randabschnitt des ersten Abschnitts an einer Seite des Halbleitersubstrats entlang einer Breitenrichtung des Halbleitersubstrats erstreckt; und eine Metallschicht, welche zumindest an einer oberen Fläche des Gratabschnitts und an dem ersten Abschnitt gebildet ist. In einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats befindet sich eine Fläche des zweiten Abschnitts an einer zu dem Halbleitersubstrat entgegengesetzten Seite zwischen einer Fläche der aktiven Schicht an einer zu dem Halbleitersubstrat entgegengesetzten Seite und einer Fläche der aktiven Schicht an einer Seite des Halbleitersubstrats. Betrachtet in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats überlappt ein Teil der Metallschicht an dem ersten Abschnitt die aktive Schicht. Die Metallschicht ist unmittelbar an dem ersten Abschnitt gebildet.
Das Quantenkaskadenlaserelement ist mit der Einbettungsschicht versehen, welche den ersten Abschnitt, welcher an der Seitenfläche des Gratabschnitts gebildet ist, und den zweiten Abschnitt aufweist, welcher sich von dem Randabschnitt des ersten Abschnitts an einer Seite des Halbleitersubstrats entlang der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats erstreckt. Demgemäß kann Wärme, welche in der aktiven Schicht erzeugt wird, effektiv abgeleitet werden. Zudem ist die Metallschicht an dem ersten Abschnitt gebildet, welcher an der Seitenfläche des Gratabschnitts gebildet ist. Demgemäß können die Schwingungen eines Modus hoher Ordnung unterdrückt werden, während ein Verlust in einem Basismodus unterdrückt wird. Zudem befindet sich die Fläche des zweiten Abschnitts an einer zu dem Halbleitersubstrat entgegengesetzten Seite in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats zwischen der Fläche der aktiven Schicht an einer zu dem Halbleitersubstrat entgegengesetzten Seite und der Fläche der aktiven Schicht an einer Seite des Halbleitersubstrats und überlappt betrachtet in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats ein Teil der Metallschicht an dem ersten Abschnitt die aktive Schicht. Demgemäß können die Schwingungen des Modus hoher Ordnung effektiv unterdrückt werden, indem neben der aktiven Schicht die Metallschicht an dem ersten Abschnitt angeordnet wird, während eine Wärmeabfuhr effektiv verbessert wird, indem neben der aktiven Schicht der zweite Abschnitt angeordnet wird. Infolgedessen kann sowohl eine Verbesserung einer Wärmeabfuhr als auch die Unterdrückung der Schwingungen des Modus hoher Ordnung auf eine gut ausbalancierte Weise realisiert werden. Zudem ist die Metallschicht unmittelbar an dem ersten Abschnitt gebildet. Demgemäß kann die Metallschicht nahe an der aktiven Schicht angeordnet sein und können die Schwingungen des Modus hoher Ordnung durch eine Lichtabsorption der Metallschicht effektiv unterdrückt werden. Zudem tritt zum Beispiel, wenn zwischen der Metallschicht und dem ersten Abschnitt eine andere Schicht gebildet ist, aufgrund eines Fertigungsfehlers der anderen Schicht eine Variation in einer Charakteristik eines Unterdrückens der Schwingungen des Modus hoher Ordnung auf, da jedoch die Metallschicht unmittelbar an dem ersten Abschnitt gebildet ist, kann eine solche Situation unterdrückt werden und kann die Ertragsrate verbessert werden. Somit können gemäß dem Quantenkaskadenlaserelement eine Verbesserung einer Wärmeabfuhr, die Unterdrückung der Schwingungen des Modus hoher Ordnung und eine Verbesserung einer Ertragsrate erreicht werden.
Eine Dicke des ersten Abschnitts kann dünner als eine Dicke des zweiten Abschnitts sein. In diesem Fall kann sowohl eine Verbesserung einer Wärmeabfuhr als auch die Unterdrückung der Schwingungen des Modus hoher Ordnung auf eine besser ausbalancierte Weise realisiert werden.
Die Metallschicht kann an der oberen Fläche des Gratabschnitts, an dem ersten Abschnitt und an dem zweiten Abschnitt gebildet sein und eine dielektrische Schicht kann zwischen dem zweiten Abschnitt und der Metallschicht angeordnet sein. In diesem Fall kann eine Verbindungsstärke zwischen der Metallschicht und der Einbettungsschicht verbessert werden. Infolgedessen können das Abschälen oder eine Verschlechterung der Metallschicht unterdrückt werden und kann die Stabilität des Laserelements verbessert werden.
Die dielektrische Schicht kann derart gebildet sein, dass ein Teil des zweiten Abschnitts von der dielektrischen Schicht freiliegt, und die Metallschicht kann an dem Teil mit dem zweiten Abschnitt in Kontakt sein. In diesem Fall kann eine Wärmeabfuhr weiter verbessert werden.
In der dielektrischen Schicht kann eine Öffnung gebildet sein, welche einen inneren Abschnitt des zweiten Abschnitts von der dielektrischen Schicht freilegt, wobei der innere Abschnitt mit dem ersten Abschnitt zusammenhängend ist, und die Metallschicht kann durch die Öffnung mit dem inneren Abschnitt in Kontakt sein. Da in diesem Fall die Metallschicht an dem inneren Abschnitt nahe an dem Gratabschnitt mit dem zweiten Abschnitt in Kontakt ist, kann eine Wärmeabfuhr noch weiter verbessert werden. Da andererseits die Metallschicht an einem von dem Gratabschnitt entfernten äußeren Abschnitt mit dem zweiten Abschnitt fest verbunden ist, wobei dazwischen die dielektrische Schicht angeordnet ist, kann das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht effektiv unterdrückt werden. Zudem gibt es eine Möglichkeit, dass in der Nähe eines inneren Rands der dielektrischen Schicht (innerer Rand der Öffnung) aufgrund eines Zerteilungsprozesses während einer Fertigung ein Zerteilungsstreifen gebildet wird, da jedoch der innere Rand der Öffnung von dem Gratabschnitt getrennt ist, kann der Einfluss des Zerteilungsstreifens auf eine Lichtausgabecharakteristik unterdrückt werden.
Eine Breite der Öffnung in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats kann größer oder gleich einem Zweifachen einer Breite der aktiven Schicht sein. In diesem Fall kann ein Bereich, in welchem die Metallschicht mit dem zweiten Abschnitt in Kontakt ist, verbreitert werden und kann eine Wärmeabfuhr noch weiter verbessert werden. Zudem kann der Einfluss des Zerteilungsstreifens auf die Lichtausgabecharakteristik weiter unterdrückt werden.
Eine Breite der Öffnung in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats kann größer oder gleich einem Zehnfachen einer Dicke des zweiten Abschnitts sein. In diesem Fall kann der Bereich, in welchem die Metallschicht mit dem zweiten Abschnitt in Kontakt ist, weiter verbreitert werden und kann eine Wärmeabfuhr noch weiter verbessert werden. Zudem kann der Einfluss des Zerteilungsstreifens auf die Lichtausgabecharakteristik noch weiter unterdrückt werden.
Das Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ferner eine aus Metall gefertigte Leitung aufweisen, welche mit der Metallschicht elektrisch verbunden ist. Eine Verbindungsstelle zwischen der Metallschicht und der Leitung kann die dielektrische Schicht betrachtet in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats überlappen. In diesem Fall kann das Auftreten des Abschälens oder dergleichen der Metallschicht unterdrückt werden, welches durch eine Zugspannung verursacht wird, welche die Leitung auf die Metallschicht aufbringt.
Eine Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat: das Quantenkaskadenlaserelement; und eine Antriebseinheit, welche das Quantenkaskadenlaserelement antreibt. Gemäß der Quantenkaskadenlaservorrichtung können eine Verbesserung einer Wärmeabfuhr, die Unterdrückung der Schwingungen des Modus hoher Ordnung und eine Verbesserung einer Ertragsrate erreicht werden.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, das Quantenkaskadenlaserelement und die Quantenkaskadenlaservorrichtung bereitzustellen, welche in der Lage sind, eine Verbesserung einer Wärmeabfuhr, die Unterdrückung der Schwingungen des Modus hoher Ordnung und eine Verbesserung einer Ertragsrate zu erreichen.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht eines Quantenkaskadenlaserelements gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie II-II aus 1.
3(a) und 3(b) sind Ansichten, welche ein Verfahren zur Fertigung eines Quantenkaskadenlaserelements zeigen.
4(a) und 4(b) sind Ansichten, welche das Verfahren zur Fertigung eines Quantenkaskadenlaserelements zeigen.
5(a) und 5(b) sind Ansichten, welche das Verfahren zur Fertigung eines Quantenkaskadenlaserelements zeigen.
6(a) und 6(b) sind Ansichten, welche das Verfahren zur Fertigung eines Quantenkaskadenlaserelements zeigen.
7 ist ein Graph, welcher ein Beispiel einer elektrischen Feldintensitätsverteilung in dem Quantenkaskadenlaserelement zeigt.
8(a) ist eine Ansicht, welche ein Beispiel einer Erstreckung eines Basismodus zeigt, und 8(b) ist eine Ansicht, welche ein Beispiel einer Erstreckung eines primären Modus zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit Verweis auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung werden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen oder entsprechenden Elemente verwendet und werden doppelte Beschreibungen vermieden.
[Konfiguration eines Quantenkaskadenlaserelements]
Wie in 1 und 2 gezeigt, hat ein Quantenkaskadenlaserelement 1 ein Halbleitersubstrat 2, ein Halbleiterlaminat 3, eine Einbettungsschicht 4, eine dielektrische Schicht 5, eine erste Elektrode 6 und eine zweite Elektrode 7. Das Halbleitersubstrat 2 ist zum Beispiel ein S-dotiertes InP-Einkristallsubstrat mit einer rechteckigen Plattenform. Gemäß einem Beispiel beträgt eine Länge des Halbleitersubstrats 2 ungefähr 3 mm, beträgt eine Breite des Halbleitersubstrats 2 ungefähr 500 µm und beträgt eine Dicke des Halbleitersubstrats 2 ungefähr einhundert und mehrere zehn µm. In der nachfolgenden Beschreibung wird eine Breitenrichtung des Halbleitersubstrats 2 als eine X-Achsenrichtung bezeichnet, wird eine Längenrichtung des Halbleitersubstrats 2 als eine Y-Achsenrichtung bezeichnet und wird eine Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 2 als eine Z-Achsenrichtung bezeichnet. Eine Seite, an welcher das Halbleiterlaminat 3 sich mit Bezug auf das Halbleitersubstrat 2 in der Z-Achsenrichtung befindet, wird als eine erste Seite S1 bezeichnet und eine Seite, an welcher das Halbleitersubstrat 2 sich mit Bezug auf das Halbleiterlaminat 3 in der Z-Achsenrichtung befindet, wird als eine zweite Seite S2 bezeichnet.
Das Halbleiterlaminat 3 ist an einer Fläche 2a an der ersten Seite S1 des Halbleitersubstrats 2 gebildet. Das Halbleiterlaminat 3 hat eine aktive Schicht 31 mit einer Quantenkaskadenstruktur. Das Halbleiterlaminat 3 ist konfiguriert, um Laserlicht mit einer vorbestimmten Mittenwellenlänge (zum Beispiel eine Wellenlänge in einem mittleren Infrarotbereich, welcher eine Mittenwellenlänge mit einem beliebigen Wert von 4 bis 11 µm hat) zu oszillieren. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Halbleiterlaminat 3 gebildet, indem eine untere Hüllschicht 32, eine untere Führungsschicht (nicht gezeigt), die aktive Schicht 31, eine obere Führungsschicht (nicht gezeigt), eine obere Hüllschicht 33 und eine Kontaktschicht (nicht gezeigt) der Reihe nach ausgehend von einer Seite des Halbleitersubstrats 2 gestapelt werden. Die obere Führungsschicht hat eine Beugungsgitterstruktur, welche als eine verteilte Rückkopplungsstruktur (DFB-Struktur) fungiert.
Die aktive Schicht 31 hat zum Beispiel eine Mehrfachquantentopfstruktur von InGaAs/InAIAs. Die untere Hüllschicht 32 und die obere Hüllschicht 33 sind zum Beispiel jeweils eine Si-dotierte InP-Schicht. Die untere Führungsschicht und die obere Führungsschicht sind zum Beispiel jeweils eine Si-dotierte InGaAs-Schicht. Die Kontaktschicht ist zum Beispiel eine Si-dotierte InGaAs-Schicht.
Das Halbleiterlaminat 3 hat einen Gratabschnitt 30, welcher sich entlang der Y-Achsenrichtung erstreckt. Der Gratabschnitt 30 wird durch einen Abschnitt an der ersten Seite S1 der unteren Hüllschicht 32, der unteren Führungsschicht, der aktiven Schicht 31, der oberen Führungsschicht, der oberen Hüllschicht 33 und der Kontaktschicht gebildet. Eine Breite des Gratabschnitts 30 in der X-Achsenrichtung ist schmaler als eine Breite des Halbleitersubstrats 2 in der X-Achsenrichtung. Eine Länge des Gratabschnitts 30 in der Y-Achsenrichtung ist gleich einer Länge des Halbleitersubstrats 2 in der Y-Achsenrichtung. Gemäß einem Beispiel beträgt die Länge des Gratabschnitts 30 ungefähr 3 mm, beträgt die Breite des Gratabschnitts 30 ungefähr 8 µm und beträgt eine Dicke des Gratabschnitts 30 ungefähr 8 µm. Der Gratabschnitt 30 befindet sich in der Mitte des Halbleitersubstrats 2 in der X-Achsenrichtung. Jede Schicht, welche das Halbleiterlaminat 3 bildet, existiert nicht an beiden Seiten des Gratabschnitts 30 in der X-Achsenrichtung.
Der Gratabschnitt 30 hat eine obere Fläche 30a und ein Paar von Seitenflächen 30b. Die obere Fläche 30a ist eine Fläche an der ersten Seite S1 des Gratabschnitts 30. Das Paar von Seitenflächen 30b sind Flächen an beiden Seiten des Gratabschnitts 30 in der X-Achsenrichtung. In diesem Beispiel sind die obere Fläche 30a und die Seitenflächen 30b jeweils eine flache Fläche. Betrachtet in der Y-Achsenrichtung ist jede der Seitenflächen 30b mit Bezug auf eine Mittellinie CL des Gratabschnitts 30 geneigt, um sich der Mittellinie CL zu nähern, während sie sich von dem Halbleitersubstrat 2 entfernt (hin zu der ersten Seite S1). Die Mittellinie CL ist eine gerade Linie, welche durch die Mitte (geometrische Mitte) des Gratabschnitts 30 verläuft und betrachtet in der Y-Achsenrichtung parallel zu der Z-Achsenrichtung ist. Das Quantenkaskadenlaserelement 1 ist konfiguriert, um betrachtet in der Y-Achsenrichtung achsensymmetrisch mit Bezug auf die Mittellinie CL zu sein.
Das Halbleiterlaminat 3 hat eine erste Endfläche 3a und eine zweite Endfläche 3b, welche beide Endflächen des Gratabschnitts 30 in einer Lichtwellenleiterrichtung A sind. Die Lichtwellenleiterrichtung A ist eine Richtung parallel zu der Y-Achsenrichtung, welche eine Erstreckungsrichtung des Gratabschnitts 30 ist. Die erste Endfläche 3a und die zweite Endfläche 3b fungieren als Licht emittierende Endflächen. Die erste Endfläche 3a und die zweite Endfläche 3b befinden sich an den gleichen Ebenen wie beide entsprechenden Endflächen des Halbleitersubstrats 2 in der Y-Achsenrichtung.
Die Einbettungsschicht 4 ist eine Halbleiterschicht, welche zum Beispiel von einer Fe-dotierten InP-Schicht gebildet ist. Die Einbettungsschicht 4 hat ein Paar von ersten Abschnitten 41 und ein Paar von zweiten Abschnitten 42. Das Paar von ersten Abschnitten 41 ist an dem Paar von entsprechenden Seitenflächen 30b des Gratabschnitts 30 gebildet. Das Paar von zweiten Abschnitten 42 erstreckt sich von Randabschnitten 41a an der zweiten Seite S2 des Paars von entsprechenden ersten Abschnitten 41 in der X-Achsenrichtung. Jeder der zweiten Abschnitte 42 ist an einer Fläche 32a der unteren Hüllschicht 32 gebildet. Die Fläche 32a ist eine Fläche an der ersten Seite S1 eines Abschnitts der unteren Hüllschicht 32, wobei der Abschnitt nicht den Gratabschnitt 30 bildet.
Eine Fläche 42a an der ersten Seite S1 von jedem der zweiten Abschnitte 42 befindet sich in der Z-Achsenrichtung zwischen einer Fläche 31 a an der ersten Seite S1 der aktiven Schicht 31 und einer Fläche 31 b an der zweiten Seite S2 der aktiven Schicht 31. In anderen Worten ausgedrückt, überlappt ein Teil an der ersten Seite S1 der zweiten Abschnitte 42 betrachtet in der X-Achsenrichtung einen Teil an der zweiten Seite S2 der aktiven Schicht 31.
Jeder der ersten Abschnitte 41 ist über die Gesamtheit der entsprechenden Seitenfläche 30b des Gratabschnitts 30 gebildet und steht in der Z-Achsenrichtung von der oberen Fläche 30a des Gratabschnitts 30 zu der ersten Seite S1 vor. Eine Fläche 41 b von jedem der ersten Abschnitte 41 hat an einer dem Gratabschnitt 30 entgegengesetzten Seite eine erste geneigte Fläche 43 und eine zweite geneigte Fläche 44. In diesem Beispiel ist die erste geneigte Fläche 43 und die zweite geneigte Fläche 44 jeweils eine flache Fläche.
Betrachtet in der Lichtwellenleiterrichtung A ist die erste geneigte Fläche 43 mit Bezug auf die Seitenfläche 30b des Gratabschnitts 30 geneigt, um sich von der Seitenfläche 30b des Gratabschnitts 30 zu entfernen, während sie sich von dem Halbleitersubstrat 2 entfernt. Betrachtet in der Lichtwellenleiterrichtung A ist in diesem Beispiel die erste geneigte Fläche 43 zudem mit Bezug auf die Mittellinie CL des Gratabschnitts 30 geneigt, um sich von der Mittellinie CL zu entfernen, während sie sich von dem Halbleitersubstrat 2 entfernt. Die erste geneigte Fläche 43 ist an der ersten Seite S1 der zweiten Abschnitte 42 zusammenhängend mit der Fläche 42a. Betrachtet in der X-Achsenrichtung überlappt ein Randabschnitt der ersten geneigten Fläche 43 an einer Seite des Halbleitersubstrats 2 die aktive Schicht 31.
Die zweite geneigte Fläche 44 befindet sich mit Bezug auf die erste geneigte Fläche 43 an der ersten Seite S1 und ist mit der ersten geneigten Fläche 43 zusammenhängend. Betrachtet in der Lichtwellenleiterrichtung A ist die zweite geneigte Fläche 44 mit Bezug auf die Mittellinie CL des Gratabschnitts 30 geneigt, um sich der Mittellinie CL zu nähern, während sie sich von dem Halbleitersubstrat 2 entfernt. Betrachtet in der Lichtwellenleiterrichtung A ist in diesem Beispiel die zweite geneigte Fläche 44 zudem mit Bezug auf die Seitenfläche 30b des Gratabschnitts 30 geneigt, um sich der Seitenfläche 30b zu nähern, während sie sich von dem Halbleitersubstrat 2 entfernt. Die zweite geneigte Fläche 44 steht in der Z-Achsenrichtung von der oberen Fläche 30a des Gratabschnitts 30 zu der ersten Seite S1 vor.
Eine Dicke T1 der ersten Abschnitte 41 ist dünner als eine Dicke T2 der zweiten Abschnitte 42. Die Dicke T1 der ersten Abschnitte 41 kann geringer oder gleich einer Hälfte der Dicke T2 der zweiten Abschnitte 42 sein. Die Dicke T1 der ersten Abschnitte 41 ist eine maximale Dicke der ersten Abschnitte 41 in der X-Achsenrichtung. In diesem Beispiel nimmt die Dicke der ersten Abschnitte 41 ausgehend von der zweiten Seite S2 zu einer Grenze zwischen der ersten geneigten Fläche 43 und der zweiten geneigten Fläche 44 hin zu und nimmt ausgehend von der Grenze zu der ersten Seite S1 hin ab. Das heißt, die Dicke der ersten Abschnitte 41 erreicht an der Position der Grenze ihr Maximum. Somit ist die Dicke T1 der ersten Abschnitte 41 eine Distanz zwischen der Seitenfläche 30b des Gratabschnitts 30 und der Grenze. Die Dicke T2 der zweiten Abschnitte 42 ist eine maximale Dicke der zweiten Abschnitte 42 in der Z-Achsenrichtung. In diesem Beispiel ist die Dicke der zweiten Abschnitte 42 über die zweiten Abschnitte 42 durchweg gleichmäßig. Gemäß einem Beispiel beträgt die Dicke T1 der ersten Abschnitte 41 ungefähr 1 bis 2 µm und beträgt die Dicke T2 der zweiten Abschnitte 42 ungefähr 3.0 µm.
Die dielektrische Schicht 5 ist zum Beispiel eine isolierende Schicht, welche durch einen SiN-Film oder einen SiO₂-Film gebildet ist. Die dielektrische Schicht 5 ist an einer Fläche 47a eines äußeren Abschnitts 47 des zweiten Abschnitts 42 derart gebildet, dass die obere Fläche 30a des Gratabschnitts 30, die Fläche 41b von jedem der ersten Abschnitte 41 und eine Fläche 46a eines inneren Abschnitts 46 von jedem der zweiten Abschnitte 42 von der dielektrischen Schicht 5 freiliegen. Der innere Abschnitt 46 ist ein Abschnitt des zweiten Abschnitts 42, welcher mit dem ersten Abschnitt 41 zusammenhängend ist, und der äußere Abschnitt 47 ist ein Abschnitt des zweiten Abschnitts 42, welcher sich in der X-Achsenrichtung außerhalb des inneren Abschnitts 46 befindet. Die Fläche 46a ist eine Fläche an der ersten Seite S1 des inneren Abschnitts 46 und die Fläche 47a ist eine Fläche an der ersten Seite S1 des äußeren Abschnitts 47.
Die dielektrische Schicht 5 ist an der Fläche 47a des äußeren Abschnitts 47 gebildet und ist nicht an der Fläche 46a des inneren Abschnitts 46 gebildet, um die Fläche 46a freizulegen. In anderen Worten ausgedrückt, ist in der dielektrischen Schicht 5 eine Öffnung 5a gebildet, welche den inneren Abschnitt 46 von der dielektrischen Schicht 5 freilegt. Die Öffnung 5a legt die obere Fläche 30a des Gratabschnitts 30, die Fläche 41b von jedem der ersten Abschnitte 41 und die Fläche 46a des inneren Abschnitts 46 von jedem der zweiten Abschnitte 42 von der dielektrischen Schicht 5 frei. Ein äußerer Rand der dielektrischen Schicht 5 erreicht einen äußeren Rand der Einbettungsschicht 4 sowohl in der X-Achsenrichtung als auch der Y-Achsenrichtung. Die dielektrische Schicht 5 fungiert zudem als eine Adhäsionsschicht, welche eine Adhäsion zwischen der Einbettungsschicht 4 und einer später beschriebenen Metallschicht 61 verstärkt.
Eine Breite W1 der Öffnung 5a in der X-Achsenrichtung ist größer oder gleich einem Zweifachen einer Breite W2 der aktiven Schicht 31 in der X-Achsenrichtung. Die Breite W1 kann größer oder gleich einem Fünffachen der Breite W2 sein. Gemäß einem Beispiel beträgt die Breite W1 ungefähr 50 µm und beträgt die Breite W2 ungefähr 9 µm. Wenn die Breite der aktiven Schicht 31 sich, wie in der vorliegenden Ausführungsform, hin zu der ersten Seite S1 verengt, ist die Breite W2 der aktiven Schicht 31 eine Breite eines Endabschnitts an der ersten Seite S1.
Die Breite W1 der Öffnung 5a in der X-Achsenrichtung kann größer oder gleich einem Zehnfachen einer Dicke T3 der Einbettungsschicht 4 in der Z-Achsenrichtung sein. Die Dicke T3 der Einbettungsschicht 4 ist die dickere der Dicke T1 der ersten Abschnitte 41 und der Dicke T2 der zweiten Abschnitte 42 und ist in diesem Beispiel die Dicke T2. Das heißt, die Breite W1 der Öffnung 5a kann größer oder gleich einem Zehnfachen der Dicke T2 der zweiten Abschnitte 42 sein. Wie vorstehend beschrieben, beträgt die Dicke T2 der zweiten Abschnitte 42 zum Beispiel ungefähr 3 µm .
Die erste Elektrode 6 hat die Metallschicht 61 und eine Plattierungsschicht 62. Die Metallschicht 61 ist zum Beispiel eine Ti/Au-Schicht und fungiert als eine Grundierungsschicht zum Bilden der Plattierungsschicht 62. Die Plattierungsschicht 62 ist an der Metallschicht 61 gebildet. Die Plattierungsschicht 62 ist zum Beispiel eine Au-Plattierungsschicht. Eine Dicke der ersten Elektrode 6 in der Z-Achsenrichtung beträgt zum Beispiel 6 µm oder mehr.
Die Metallschicht 61 ist integral ausgebildet, um sich über die obere Fläche 30a des Gratabschnitts 30 und über die ersten Abschnitte 41 und die zweiten Abschnitte 42 der Einbettungsschicht 4 zu erstrecken. Die Metallschicht 61 ist in Kontakt mit der oberen Fläche 30a des Gratabschnitts 30. Demgemäß ist die erste Elektrode 6 über die Kontaktschicht mit der oberen Hüllschicht 33 elektrisch verbunden. Ein äußerer Rand der Metallschicht 61 befindet sich sowohl in der X-Achsenrichtung als auch der Y-Achsenrichtung innerhalb der äußeren Ränder der Einbettungsschicht 4 und der dielektrischen Schicht 5. Eine Distanz zwischen dem äußeren Rand der Metallschicht 61 und dem äußeren Rand der dielektrischen Schicht 5 (äußere Ränder des Halbleitersubstrats 2, des Halbleiterlaminats 3 und der Einbettungsschicht 4) in der X-Achsenrichtung beträgt zum Beispiel ungefähr 50 µm.
Die Metallschicht 61 ist unmittelbar an den ersten Abschnitten 41 gebildet. Das heißt, zwischen der Metallschicht 61 und den ersten Abschnitten 41 ist keine weitere Schicht (zum Beispiel die dielektrische Schicht oder die isolierende Schicht) gebildet. Die Metallschicht 61 ist über die Gesamtheit der Fläche 41b von jedem der ersten Abschnitte 41 gebildet und erstreckt sich über die erste geneigte Fläche 43 und über die zweite geneigte Fläche 44. Betrachtet in der X-Achsenrichtung überlappt ein Teil der Metallschicht 61 an den ersten geneigten Flächen 43 die aktive Schicht 31. Genauer überlappt ein Randabschnitt an der zweiten Seite S2 der Metallschicht 61 an den ersten geneigten Flächen 43 die aktive Schicht 31. Die Metallschicht 61 ist bereitgestellt, um einen Abschnitt der ersten Abschnitte 41 zu bedecken, wobei der Abschnitt von der oberen Fläche 30a des Gratabschnitts 30 vorsteht.
Die Metallschicht 61 ist an dem inneren Abschnitt 46 von jedem der zweiten Abschnitte 42 durch die Öffnung 5a, welche in der dielektrischen Schicht 5 gebildet ist, in Kontakt mit der Fläche 46a von jedem der inneren Abschnitte 46. Die Metallschicht 61 ist an den zweiten Abschnitten 42 an dem äußeren Abschnitt 47 von jedem der zweiten Abschnitte 42 gebildet, wobei dazwischen die dielektrische Schicht 5 angeordnet ist. Das heißt, die dielektrische Schicht 5 ist zwischen dem äußeren Abschnitt 47 von jedem der zweiten Abschnitte 42 und der ersten Elektrode 6 angeordnet. Betrachtet in der Z-Achsenrichtung befindet sich ein äußerer Rand der ersten Elektrode 6 innerhalb der äußeren Ränder des Halbleitersubstrats 2, des Halbleiterlaminats 3, der Einbettungsschicht 4 und der dielektrischen Schicht 5.
Eine Anzahl von Leitungen 8 ist mit einer Fläche 62a an der ersten Seite S1 der Plattierungsschicht 62 elektrisch verbunden. Jede der Leitungen 8 ist zum Beispiel durch Leitungsbonden gebildet und ist über die Plattierungsschicht 62 mit der Metallschicht 61 elektrisch verbunden. Eine Verbindungsstelle zwischen der Metallschicht 61 (Plattierungsschicht 62) und jeder der Leitungen 8 überlappt betrachtet in der Z-Achsenrichtung die dielektrische Schicht 5. Die Zahl der Leitungen 8 ist nicht begrenzt und es kann nur eine Leitung 8 bereitgestellt sein.
Die zweite Elektrode 7 ist an der Fläche 2b an der zweiten Seite S2 des Halbleitersubstrats 2 gebildet. Die zweite Elektrode 7 ist zum Beispiel ein AuGe/Au-Film, ein AuGe/Ni/Au-Film oder ein Au-Film. Die zweite Elektrode 7 ist über das Halbleitersubstrat 2 mit der unteren Hüllschicht 32 elektrisch verbunden.
Wenn in dem Quantenkaskadenlaserelement 1 über die erste Elektrode 6 und durch die zweite Elektrode 7 eine Vorspannung an die aktive Schicht 31 angelegt wird, wird von der aktiven Schicht 31 Licht emittiert und schwingt Licht mit einer vorbestimmten Mittenwellenlänge des Lichts in der verteilten Rückkopplungsstruktur. Demgemäß wird das Laserlicht mit der vorbestimmten Mittenwellenlänge sowohl von der ersten Endfläche 3a als auch der zweiten Endfläche 3b emittiert. Ein Hochreflexionsfilm kann an einer Endfläche der ersten Endfläche 3a und der zweiten Endfläche 3b gebildet sein. In diesem Fall wird das Laserlicht mit der vorbestimmten Mittenwellenlänge von der anderen Endfläche der ersten Endfläche 3a und der zweiten Endfläche 3b emittiert. Alternativ kann ein Niederreflexionsfilm an einer Endfläche der ersten Endfläche 3a und der zweiten Endfläche 3b gebildet sein. Zusätzlich kann ein Hochreflexionsfilm an der anderen Endfläche gebildet sein, welche unterschiedlich zu der Endfläche ist, an welcher der Niederreflexionsfilm gebildet ist. In beiden Fällen wird das Laserlicht mit der vorbestimmten Mittenwellenlänge von einer Endfläche der ersten Endfläche 3a und der zweiten Endfläche 3b emittiert. In ersterem Fall wird das Laserlicht sowohl von der ersten Endfläche 3a als auch der zweiten Endfläche 3b emittiert.
Das Quantenkaskadenlaserelement 1 kann zusammen mit einer Antriebseinheit, welche das Quantenkaskadenlaserelement 1 antreibt, eine Quantenkaskadenlaservorrichtung bilden. Die Antriebseinheit ist mit der ersten Elektrode 6 und der zweiten Elektrode 7 elektrisch verbunden. Die Antriebseinheit ist zum Beispiel eine Impulsantriebseinheit, welche das Quantenkaskadenlaserelement 1 derart antreibt, dass das Quantenkaskadenlaserelement 1 das Laserlicht auf eine pulsende Weise oszilliert.
[Verfahren zur Fertigung eines Quantenkaskadenlaserelements]
Ein Verfahren zur Fertigung des Quantenkaskadenlaserelements 1 wird unter Bezugnahme auf 3 bis 6 beschrieben. Zuerst wird, wie in 3(a) gezeigt, ein Halbleiterwafer 200 mit einer ersten Hauptfläche 200a und einer zweiten Hauptfläche 200b vorbereitet und wird eine Halbleiterschicht 300 an der ersten Hauptfläche 200a des Halbleiterwafers 200 gebildet. Der Halbleiterwafer 200 ist zum Beispiel ein S-dotierter InP-Einkristall (100) -Wafer. Der Halbleiterwafer 200 hat eine Anzahl von Abschnitten, von welchen jeder zum Halbleitersubstrat 2 wird, und wird er in einem später beschriebenen Nachbearbeitungsprozess entlang einer Linie L zerteilt. Gleichermaßen hat zudem die Halbleiterschicht 300 eine Anzahl von Abschnitten, von welchen jeder zum Halbleiterlaminat 3 wird. Die Halbleiterschicht 300 wird zum Beispiel gebildet, indem jede Schicht (nämlich eine Schicht, welche jeweils die untere Hüllschicht 32, die untere Führungsschicht, die aktive Schicht 31, die obere Führungsschicht, die obere Hüllschicht 33 und die Kontaktschicht wird) mittels MO-CVD epitaxisch aufgebaut wird.
Anschließend wird, wie in 3(b) gezeigt, an einem Abschnitt der Halbleiterschicht 300 ein dielektrischer Film 100 gebildet, wobei der Abschnitt der Gratabschnitt 30 wird, und wird die Halbleiterschicht 300 bis zu der unteren Hüllschicht 32 trockengeätzt, wobei der dielektrische Film 100 als eine Maske verwendet wird. Der dielektrische Film 100 wird zum Beispiel von einem SiN-Film oder einem SiO₂-Film gebildet. Der dielektrische Film 100 wird zum Beispiel durch Fotolithographie und Ätzen zu einer in 3(b) gezeigten Form strukturiert. Eine Breite des dielektrischen Films 100 in der X-Achsenrichtung beträgt zum Beispiel ungefähr 10 µm.
Anschließend wird, wie in 4(a) gezeigt, die Halbleiterschicht 300 nassgeätzt, wobei der dielektrische Film 100 als eine Maske verwendet wird. Somit ist der Gratabschnitt 30 an der Halbleiterschicht 300 gebildet.
Anschließend wird, wie in 4(b) gezeigt, an der Halbleiterschicht 300 eine Einbettungsschicht 400 gebildet. Die Einbettungsschicht 400 hat eine Anzahl von Abschnitten, von welchen jeder zu der Einbettungsschicht 4 wird. Die Einbettungsschicht 400 wird zum Beispiel durch Kristallzüchtung mittels MO-CVD gebildet. Da der dielektrische Film 100 als eine Maske fungiert, wird die Einbettungsschicht 400 nicht an dem dielektrischen Film 100 gebildet.
Anschließend wird, wie in 5(a) gezeigt, der dielektrische Film 100 durch Ätzen entfernt und wird an der Einbettungsschicht 400 eine dielektrische Schicht 500 gebildet. Die dielektrische Schicht 500 hat eine Anzahl von Abschnitten, von welchen jeder zu der dielektrischen Schicht 5 wird. Die dielektrische Schicht 500 ist zum Beispiel durch Fotolithographie und Ätzen zu einer in 5(a) gezeigten Form strukturiert. Somit ist in der dielektrischen Schicht 500 die Öffnung 5a (Kontaktloch) gebildet.
Anschließend wird, wie in 5(b) gezeigt, über der oberen Fläche 30a des Gratabschnitts 30 und über den ersten Abschnitten 41 und den zweiten Abschnitten 42 der Einbettungsschicht 4 eine Metallschicht 610 gebildet. Anschließend wird, wie in 6(a) gezeigt, durch Plattieren an der Metallschicht 610 eine Plattierungsschicht 620 gebildet. Die Metallschicht 610 hat eine Anzahl von Abschnitten, von welchen jeder zu der Metallschicht 61 wird, und die Plattierungsschicht 620 hat eine Anzahl von Abschnitten, von welchen jeder zu der Plattierungsschicht 62 wird. Die Metallschicht 610 wird gebildet, indem zum Beispiel Ti mit einer Dicke von ungefähr 50 nm und Au mit einer Dicke von ungefähr 300 nm in dieser Reihenfolge gesputtert oder aufgedampft werden. Die Metallschicht 610 an der Linie L wird zum Beispiel durch Ätzen entfernt, nachdem die Plattierungsschicht 620 gebildet ist. Die Linie L ist eine geplante Zerteilungslinie, welche eine Anzahl von Abschnitten unterteilt, welche die Quantenkaskadenlaserelemente 1 werden.
Anschließend wird, wie in 6(b) gezeigt, der Halbleiterwafer 200 dünner gemacht, indem die zweite Hauptfläche 200b des Halbleiterwafers 200 poliert wird. Anschließend wird an der zweiten Hauptfläche 200b des Halbleiterwafers 200 eine Elektrodenschicht 700 gebildet. Die Elektrodenschicht 700 hat eine Anzahl von Abschnitten, von welchen jeder zu der zweiten Elektrode 7 wird. Die Elektrodenschicht 700 kann einer Legierungswärmebehandlung unterzogen werden. Anschließend werden der Halbleiterwafer 200 und die Halbleiterschicht 300 entlang der Linie L zerteilt. Somit wird eine Anzahl der Quantenkaskadenlaserelemente 1 erhalten.
[Funktionen und Effekte]
Das Quantenkaskadenlaserelement 1 ist mit der Einbettungsschicht 4 versehen, welche die ersten Abschnitte 41, welche an den Seitenflächen 30b des Gratabschnitts 30 gebildet sind, und die zweiten Abschnitte 42 aufweist, welche sich von den Randabschnitten 41a an der zweiten Seite S2 der ersten Abschnitte 41 entlang der X-Achsenrichtung (Breitenrichtung des Halbleitersubstrats 2) erstrecken. Demgemäß kann in der aktiven Schicht 31 erzeugte Wärme effektiv abgeleitet werden. Zudem wird die Metallschicht 61 an den ersten Abschnitten 41 gebildet, welche an den Seitenflächen 30b des Gratabschnitts 30 gebildet sind. Demgemäß können die Schwingungen eines Modus hoher Ordnung unterdrückt werden, während ein Verlust in einem Basismodus unterdrückt wird. Zudem befindet sich die Fläche 42a an der ersten Seite S1 (einer Seite, welche zu dem Halbleitersubstrat 2 entgegengesetzt ist) von jedem der zweiten Abschnitte 42 in der Z-Achsenrichtung (Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 2) zwischen der Fläche 31a an der ersten Seite S1 der aktiven Schicht 31 und der Fläche 31b an der zweiten Seite S2 (Seite des Halbleitersubstrats 2) der aktiven Schicht 31 und ein Teil der Metallschicht 61 überlappt betrachtet in der X-Achsenrichtung an den ersten Abschnitten 41 die aktive Schicht 31. Demgemäß können die Schwingungen des Modus hoher Ordnung effektiv unterdrückt werden, indem die Metallschicht 61 an den ersten Abschnitten 41 neben der aktiven Schicht 31 angeordnet wird, während eine Wärmeabfuhr effektiv verbessert wird, indem die zweiten Abschnitte 42 neben der aktiven Schicht 31 angeordnet werden. Infolgedessen kann sowohl eine Verbesserung einer Wärmeabfuhr als auch die Unterdrückung der Schwingungen des Modus hoher Ordnung auf eine gut ausbalancierte Weise realisiert werden. Zudem ist die Metallschicht 61 unmittelbar an den ersten Abschnitten 41 gebildet. Demgemäß kann die Metallschicht 61 nahe an der aktiven Schicht 31 angeordnet sein und können die Schwingungen des Modus hoher Ordnung durch eine Lichtabsorption der Metallschicht 61 effektiv unterdrückt werden. Zudem tritt, zum Beispiel, wenn zwischen der Metallschicht 61 und den ersten Abschnitten 41 eine andere Schicht (zum Beispiel die dielektrische Schicht oder die isolierende Schicht) gebildet ist, aufgrund eines Fertigungsfehlers der anderen Schicht eine Variation in der Charakteristik eines Unterdrückens der Schwingungen des Modus hoher Ordnung auf, was bedenklich ist. Zum Beispiel ist aufgrund eines Ausrichtungsfehlers die Dicke der anderen Schicht zwischen einer Seite und der anderen Seite des Gratabschnitts 30 in der X-Achsenrichtung unterschiedlich und es ist bedenklich, dass eine Brechungsindexstruktur unterschiedlich ist. Da die Metallschicht 61 unmittelbar an den ersten Abschnitten 41 gebildet ist, kann in dieser Hinsicht in dem Quantenkaskadenlaserelement 1 eine solche Situation unterdrückt werden und kann die Ertragsrate verbessert werden. Somit können gemäß dem Quantenkaskadenlaserelement 1 eine Verbesserung einer Wärmeabfuhr, die Unterdrückung der Schwingungen des Modus hoher Ordnung und eine Verbesserung einer Ertragsrate erreicht werden. Infolgedessen kann eine hochqualitative und stabile Strahlqualität realisiert werden.
Nachfolgend wird mit Verweis auf 7 und 8 ein Effekt eines Unterdrückens der Schwingungen eines transversalen Modus hoher Ordnung genauer beschrieben. 7 zeigt eine elektrische Feldintensitätsverteilung in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats 2, wobei die Mitte des Gratabschnitts 30 als ein Ursprung einer X-Achse festgelegt ist. Eine Intensitätsverteilung eines Basismodus M0 ist durch eine durchgezogene Linie dargestellt und eine Intensitätsverteilung eines primären Modus M1 ist durch eine wechselweise lang-kurz-kurz-gestrichelte Linie dargestellt. Wie in 7 gezeigt, hat Licht des Basismodus M0 eine Intensitätsspitze in der Nähe der Mitte des Gratabschnitts 30 und hat Licht des primären Modus M1 eine Intensitätsspitze an beiden Seiten der Mitte des Gratabschnitts 30.
8(a) ist eine Ansicht, welche eine Erstreckung des Basismodus M0 betrachtet in der Lichtwellenleiterrichtung A zeigt, und 8(b) ist eine Ansicht, welche eine Erstreckung des primären Modus M1 betrachtet in der Lichtwellenleiterrichtung A zeigt. Wie in 8(a) und 8(b) gezeigt, haben der Basismodus M0 und der primäre Modus M1 jeweils eine im Wesentlichen elliptische Erstreckung, deren Hauptachse entlang der Z-Achsenrichtung liegt. Da, wie vorstehend beschrieben, die Metallschicht 61, welche dazu neigt, Licht zu absorbieren, an den ersten Abschnitten 41 gebildet ist, können die Schwingungen des Lichts des primären Modus M1 unterdrückt werden, während ein Verlust des Lichts des Basismodus M0 unterdrückt wird (während das Licht des Basismodus M0 in dem Gratabschnitt 30 eingeschlossen wird).
Die Dicke T1 der ersten Abschnitte 41 ist dünner als die Dicke T2 der zweiten Abschnitte 42. Demgemäß kann sowohl eine Verbesserung einer Wärmeabfuhr als auch die Unterdrückung der Schwingungen des Modus hoher Ordnung auf eine besser ausbalancierte Weise realisiert werden.
Die Metallschicht 61 ist an der oberen Fläche 30a des Gratabschnitts 30, an den ersten Abschnitten 41 und an den zweiten Abschnitten 42 gebildet und die dielektrische Schicht 5 ist zwischen den zweiten Abschnitten 42 und der Metallschicht 61 angeordnet. Demgemäß kann eine Verbindungsstärke zwischen der Metallschicht 61 und der Einbettungsschicht 4 verbessert werden. Infolgedessen können das Abschälen oder eine Verschlechterung der Metallschicht 61 unterdrückt werden und kann die Stabilität des Laserelements verbessert werden.
Die dielektrische Schicht 5 ist derart gebildet, dass ein Teil der zweiten Abschnitte 42 von der dielektrischen Schicht 5 freiliegt, und die Metallschicht 61 ist an dem Teil mit den zweiten Abschnitten 42 in Kontakt. Demgemäß kann eine Wärmeabfuhr weiter verbessert werden. Im Übrigen ist im Allgemeinen eine Wärmeleitfähigkeit eines SiN- oder SiO₂-Dielektrikums niedriger als eine Wärmeleitfähigkeit eines Halbleiters oder Metalls.
Die Öffnung 5a, welche die inneren Abschnitte 46 der zweiten Abschnitte 42 von der dielektrischen Schicht 5 freilegt, ist in der dielektrischen Schicht 5 gebildet, wobei die inneren Abschnitte 46 mit den ersten Abschnitten 41 zusammenhängend sind, und die Metallschicht 61 ist durch die Öffnung 5a mit den inneren Abschnitten 46 in Kontakt. Da demgemäß die Metallschicht 61 an den inneren Abschnitten 46 nahe an dem Gratabschnitt 30 mit den zweiten Abschnitten 42 in Kontakt ist, kann eine Wärmeabfuhr noch weiter verbessert werden. Da andererseits die Metallschicht 61 an den von dem Gratabschnitt 30 entfernten äußeren Abschnitten 47 mit den zweiten Abschnitten 42 fest verbunden ist, wobei dazwischen die dielektrische Schicht 5 angeordnet ist, kann das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht 61 effektiv unterdrückt werden.
Zudem gibt es eine Möglichkeit, dass aufgrund eines Zerteilungsprozesses während einer Fertigung in der Nähe eines inneren Rands der dielektrischen Schicht 5 (innerer Rand der Öffnung 5a) ein Zerteilungsstreifen gebildet wird, da jedoch der innere Rand der Öffnung 5a von dem Gratabschnitt 30 getrennt ist, kann der Einfluss des Zerteilungsstreifens auf eine Lichtausgabecharakteristik unterdrückt werden. Zum Beispiel kann der Zerteilungsstreifen in der Einbettungsschicht 4 gebildet sein und die untere Hüllschicht 32 und das Halbleitersubstrat 2 erreichen.
Die Breite W1 der Öffnung 5a in der X-Achsenrichtung ist größer oder gleich einem Zweifachen der Breite W2 der aktiven Schicht 31. Demgemäß kann ein Bereich, in welchem die Metallschicht 61 mit den zweiten Abschnitten 42 in Kontakt ist, verbreitert werden und kann eine Wärmeabfuhr noch weiter verbessert werden. Zudem kann der Einfluss des Zerteilungsstreifens auf die Lichtausgabecharakteristik weiter unterdrückt werden.
Die Breite W1 der Öffnung 5a in der X-Achsenrichtung ist größer oder gleich einem Zehnfachen der Dicke T3 der zweiten Abschnitte 42. Demgemäß kann der Bereich, in welchem die Metallschicht 61 mit den zweiten Abschnitten 42 in Kontakt ist, weiter verbreitert werden und kann eine Wärmeabfuhr noch weiter verbessert werden. Zudem kann der Einfluss des Zerteilungsstreifens auf die Lichtausgabecharakteristik noch weiter unterdrückt werden.
Die aus Metall gefertigten Leitungen 8 sind mit der Metallschicht 61 elektrisch verbunden und die Verbindungsstelle zwischen der Metallschicht 61 und jeder der Leitungen 8 überlappt betrachtet in der Z-Achsenrichtung die dielektrische Schicht 5. Demgemäß kann das Auftreten des Abschälens oder dergleichen der Metallschicht 61 unterdrückt werden, welches durch eine Zugspannung verursacht wird, welche die Leitungen 8 auf die Metallschicht 61 ausüben.
[Modifikationsbeispiele]
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform begrenzt. Das Material und die Form jeder Konfiguration sind nicht auf das vorstehend beschriebene Material und die vorstehend beschriebene Form begrenzt und verschiedene Materialien und Formen können angenommen werden. Eine andere bekannte Quantenkaskadenstruktur ist auf die aktive Schicht 31 anwendbar. Eine andere bekannte Stapelstruktur ist auf das Halbleiterlaminat 3 anwendbar. Gemäß einem Beispiel kann in dem Halbleiterlaminat 3 die obere Führungsschicht keine Beugungsgitterstruktur haben, welche als eine verteilte Rückkopplungsstruktur fungiert.
Der äußere Rand der Metallschicht 61 in der Y-Achsenrichtung kann die äußeren Ränder der Einbettungsschicht 4 und der dielektrischen Schicht 5 erreichen. In diesem Fall kann eine Wärmeabfuhr an der ersten Endfläche 3a und an der zweiten Endfläche 3b verbessert werden. Jede der Seitenflächen 30b des Gratabschnitts 30 kann sich parallel zu der Mittellinie CL erstrecken. Die Metallschicht 61 (erste Elektrode 6) kann nur an der oberen Fläche 30a des Gratabschnitts 30 und an den ersten Abschnitten 41 gebildet sein und kann an den zweiten Abschnitten 42 nicht gebildet sein. Die Metallschicht 61 kann konfiguriert sein, um eine Anzahl von Abschnitten aufzuweisen, welche voneinander getrennt sind. Zum Beispiel kann die Metallschicht 61 an den ersten Abschnitten 41 getrennt von der Metallschicht 61 an den zweiten Abschnitten 42 bereitgestellt sein.
Die Plattierungsschicht 62 kann nicht bereitgestellt sein und nur die Metallschicht 61 kann die erste Elektrode 6 bilden. In diesem Fall können die Leitungen 8 mit einer Fläche an der ersten Seite S1 der Metallschicht 61 verbunden sein. In der Ausführungsform sind die inneren Abschnitte 46 der zweiten Abschnitte 42 frei von der dielektrischen Schicht 5 und ist die Metallschicht 61 mit den inneren Abschnitten 46 in Kontakt, ein Teil der zweiten Abschnitte 42 kann jedoch von der dielektrischen Schicht 5 freiliegen und die Metallschicht 61 kann an dem Teil mit den zweiten Abschnitten 42 in Kontakt sein. In der Ausführungsform befindet sich die Fläche 62a der Plattierungsschicht 62 mit Bezug auf die obere Fläche 30a des Gratabschnitts 30 an der zweiten Seite S2, die Fläche 62a kann sich jedoch mit Bezug auf die obere Fläche 30a an der ersten Seite S1 befinden. Die Plattierungsschicht 62 kann durch Plattieren derart gebildet sein, dass die Fläche 62a sich mit Bezug auf die obere Fläche 30a an der ersten Seite S1 befindet, und dann kann die Fläche 62a durch Polieren geebnet werden.
Bezugszeichenliste

1: Quantenkaskadenlaserelement,
2: Halbleitersubstrat,
3: Halbleiterlaminat,
4: Einbettungsschicht,
5: dielektrische Schicht,
5a: Öffnung,
8: Leitung,
30: Gratabschnitt,
30a: obere Fläche,
30b: Seitenfläche,
31: aktive Schicht,
31a, 31b: Fläche,
41: ersterAbschnitt,
41a: Randabschnitt,
42: zweiter Abschnitt,
42a: Fläche,
46: innerer Abschnitt,
61: Metallschicht.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201898262 A [0003]

Claims

Quantenkaskadenlaserelement mit: einem Halbleitersubstrat; einem Halbleiterlaminat, welches an dem Halbleitersubstrat gebildet ist, um einen Gratabschnitt aufzuweisen, welcher konfiguriert ist, um eine aktive Schicht mit einer Quantenkaskadenstruktur aufzuweisen; einer Einbettungsschicht mit einem ersten Abschnitt, welcher an einer Seitenfläche des Gratabschnitts gebildet ist, und einem zweiten Abschnitt, welcher sich von einem Randabschnitt des ersten Abschnitts an einer Seite des Halbleitersubstrats entlang einer Breitenrichtung des Halbleitersubstrats erstreckt; und einer Metallschicht, welche zumindest an einer oberen Fläche des Gratabschnitts und an dem ersten Abschnitt gebildet ist, wobei eine Fläche des zweiten Abschnitts an einer zu dem Halbleitersubstrat entgegengesetzten Seite sich in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats zwischen einer Fläche der aktiven Schicht an einer zu dem Halbleitersubstrat entgegengesetzten Seite und einer Fläche der aktiven Schicht an einer Seite des Halbleitersubstrats befindet, ein Teil der Metallschicht an dem ersten Abschnitt die aktive Schicht betrachtet in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats überlappt, und die Metallschicht unmittelbar an dem ersten Abschnitt gebildet ist.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß Anspruch 1, wobei eine Dicke des ersten Abschnitts dünner als eine Dicke des zweiten Abschnitts ist.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallschicht an der oberen Fläche des Gratabschnitts, an dem ersten Abschnitt und an dem zweiten Abschnitt gebildet ist, und zwischen dem zweiten Abschnitt und der Metallschicht eine dielektrische Schicht angeordnet ist.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß Anspruch 3, wobei die dielektrische Schicht derart gebildet ist, dass ein Teil des zweiten Abschnitts von der dielektrischen Schicht freiliegt, und die Metallschicht an dem Teil mit dem zweiten Abschnitt in Kontakt ist.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei in der dielektrischen Schicht eine Öffnung gebildet ist, welche einen inneren Abschnitt des zweiten Abschnitts von der dielektrischen Schicht freilegt, wobei der innere Abschnitt mit dem ersten Abschnitt zusammenhängend ist, und die Metallschicht durch die Öffnung mit dem inneren Abschnitt in Kontakt ist.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß Anspruch 5, wobei eine Breite der Öffnung in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats größer oder gleich einem Zweifachen einer Breite der aktiven Schicht ist.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei eine Breite der Öffnung in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats größer oder gleich einem Zehnfachen einer Dicke des zweiten Abschnitts ist.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, ferner mit: einer aus Metall gefertigten Leitung, welche mit der Metallschicht elektrisch verbunden ist, und einer Verbindungsstelle zwischen der Metallschicht und der Leitung, welche die dielektrische Schicht betrachtet in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats überlappt.
Quantenkaskadenlaservorrichtung mit: dem Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8; und einer Antriebseinheit, welche das Quantenkaskadenlaserelement antreibt.